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第8章　机械能及其守恒定律
第4节　能量守恒定律与能源
【学习目标】
1.知道能量守恒定律的内容。
2.通过对生活中能量转化的实例分析，领悟能量守恒定律的确切含义。
【学习过程】
一、能量守恒定律
1．建立能量守恒定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的_______________性。
(2)发现了各种自然现象之间能量的的_______________与的_______________。
2．内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式_______________为另一种形式，或者从一个物体_______________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
3．意义
能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
二、能源和能量耗散
1．能源与人类社会
人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。自工业革命以来，煤和_______________成为人类的主要能源。
能量耗散
燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化成_________________和_________________，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的_________________，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用。
3．能源危机的含义
在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上______________________，但在可利用的品质上___________，从便于利用的变成不便于利用的了。
4．能量转化的方向性与节约能源的必要性
_________________反映了能量转化的宏观过程具有方向性。所以，能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然___________，但还是很有必要节约能源。
【问题探究】
INCLUDEPICTURE"学习任务一.TIF" INCLUDEPICTURE "../../../../../2020（春）物理%20必修2%20人教版（老教材新标准）（苏湘渝冀）学生用书/学习任务一.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "学习任务一.TIF" \* MERGEFORMAT 　能量守恒定律的理解和应用
2018年4月2日上午8时15分，“天宫一号”飞行器进入大气层，坠落区位于南太平洋中部区域，绝大部分器件在进入大气层过程中烧蚀销毁。“天宫一号”飞行器进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，飞行器的表面温度达到1 000摄氏度。
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(1)“天宫一号”进入大气层后加速下落，“天宫一号”表面温度逐渐升高，该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？
(2)“天宫一号”表面温度越高，内能越大。该过程中能量如何转化？机械能和内能的总量变化吗？
INCLUDEPICTURE"学习任务二.TIF" INCLUDEPICTURE "../../../../../2020（春）物理%20必修2%20人教版（老教材新标准）（苏湘渝冀）学生用书/学习任务二.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "学习任务二.TIF" \* MERGEFORMAT 　功能关系的理解和应用
雨滴在高空中形成由静止下落的过程中，速度越来越大，空气阻力也越来越大，由于空气阻力的影响，最终会以恒定的速度匀速下降，我们把这个速度叫做收尾速度。在雨滴由静止下落至达到收尾速度的过程中：
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(1)重力做什么功？雨滴的重力势能怎样变化？
(2)合力做什么功？雨滴的动能怎样变化？
(3)空气阻力做什么功？雨滴的机械能怎样变化？
【重点突破】
能量守恒定律的应用
[例1] (多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，则 (　　)
A.在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化
B.在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能
C.在水平面上滚动时，总能量正在消失
D.在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒
对功能关系的理解
[例2](多选)一质量为m的物体，在距地面高h处以g的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的是(　　)
A.物体的重力势能减少mgh
B.物体的机械能减少mgh
C.物体的动能增加mgh
D.物体的重力做的功为mgh
[例3]如图所示，某段滑雪雪道倾角为30°，总质量为m(包括雪具在内)的滑雪运动员从距底端高为h处的雪道上由静止开始匀加速下滑，加速度为g。在他从上向下滑到底端的过程中，下列说法正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE "../../../../../2020（春）物理%20必修2%20人教版（老教材新标准）（苏湘渝冀）学生用书/W464.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "W464.TIF" \* MERGEFORMAT
A.运动员减少的重力势能全部转化为动能
B.运动员获得的动能为mgh
C.运动员克服摩擦力做功为mgh
D.下滑过程中系统减少的机械能为mgh
【反思总结】
1．一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)的美国人在《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无需任何能源的发电机。
你认为这种发电机能造出来吗？
2．如图所示是我国能源结构的统计图，
请根据此图数据完成下面两个问题：
①总结出我国能源结构或能源现状的规律。
②试着提出解决这种现状的合理化建议。
【效果检测】
1．一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法中正确的是(　　)
A．物体机械能不变，内能不变
B．物体机械能减少，内能不变
C．物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量减少
D．物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量不变
2．在今年上海的某活动中引入了全国首个户外风洞飞行体验装置，体验者在风力作用下漂浮在半空。若减小风力，体验者在加速下落过程中(　　)
A．失重且机械能增加
B．失重且机械能减少
C．超重且机械能增加
D．超重且机械能减少
3．一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点，在此过程中，绳的重心位置(　　)
A．逐渐升高　　　　　　 B．逐渐降低
C．先降低后升高 D．始终不变
4．(多选)在最近几年的空调市场上出现一个新宠——变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5～7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是(　　)
A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律
B．变频空调运行中做功少，转化能量多
C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电
D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能
5．(多选)如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰。此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是(　　)
A．流星同空气摩擦时部分机械能转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
6．(多选)悬崖跳水是一项极具挑战性的极限运动，需要运动员具有非凡的胆量和过硬的技术。跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设质量为m的运动员刚入水时的速度为v，水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降深度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)(　　)
A．他的动能减少了(F－mg)h
B．他的重力势能减少了mgh－mv2
C．他的机械能减少了Fh
D．他的机械能减少了mgh
7．(多选)一根轻弹簧，上端固定，下端栓一个重物P，处于静止状态，如图2所示。现有外力把它缓慢向下拉一段距离，则以下说法正确的是(　　)
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A.向下拉的某段过程中，重力势能的减少量可能大于弹性势能的增加量
B.向下拉的任一段过程中，重力势能的减少量一定小于弹性势能的增加量
C.撤去拉力，P在任一段运动过程中，重力势能的增加量一定等于弹性势能的减少量
D.撤去拉力，P在某段运动过程中，重力势能的增加量可能等于弹性势能的减少量
第10节　能量守恒定律与能源的参考答案
能量守恒定律
1．(1)不可能(2)相互联系，转化2．转化 转移
能源和能量耗散
1．石油2．内能，光能，内能3．虽未减少，降低了4．能量耗散，守恒
【问题探究】
INCLUDEPICTURE"学习任务一.TIF" INCLUDEPICTURE "../../../../../2020（春）物理%20必修2%20人教版（老教材新标准）（苏湘渝冀）学生用书/学习任务一.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "学习任务一.TIF" \* MERGEFORMAT 　能量守恒定律的理解和应用
答案　(1)该过程“天宫一号”的动能增加，势能减少，机械能不守恒。
(2)该过程中部分机械能转换为内能。根据能量守恒定律，机械能和内能的总量不变。
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答案　(1)重力做正功，雨滴的重力势能减少。
(2)合力做正功，雨滴的动能增加。
(3)空气阻力做负功，雨滴的机械能减少。
【重点突破】
[例1] 解析　在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的。
答案　AD
[例2] 解析　物体从高h处落到地面的过程中，重力做的功为mgh，重力势能减少mgh，选项A错误，D正确；物体的加速度为g，故合外力为mg，合外力做的功为mgh，根据动能定理，物体的动能增加mgh，选项C正确；物体的重力势能减少mgh，动能增加mgh，故机械能减少了mgh，选项B正确。
答案　BCD
[例3] 解析　运动员的加速度为g，小于gsin 30°，所以必受摩擦力的作用，且大小为mg，克服摩擦力做功为mg·＝mgh，故C错误；摩擦力做功，机械能不守恒，减少的势能没有全部转化为动能，而是有mgh转化为内能，故A错误，D正确；由动能定理知，运动员获得的动能为mg·＝mgh，故B错误。
答案　D
【反思总结】
1．不能。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。
丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒，因此这种发电机不能制造出来。
2．①我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小。
②建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源(如太阳能、风能等)。
【效果检测】
1．解析：选D　物体沿粗糙斜面匀速滑下，由于摩擦，内能增加，机械能减少，由能量守恒可知，机械能转化成内能，但机械能和内能的总量不变。故A、B、C错误，D正确。
2．解析：选B　据题意，体验者漂浮时受到的重力和风力平衡；在加速下降过程中，风力小于重力，即重力对体验者做正功，风力做负功，体验者的机械能减小；加速下降过程中，加速度方向向下，体验者处于失重状态，故选项B正确。
3．解析：选A　外力对绳索做正功，绳索的机械能增加，由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心升高的结果，故A正确。4．解析：选CD　自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错。功是能量转化的量度，做同样功，消耗同样电能，B错、D对。由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高，C对。
5．解析：选AC　流星同空气摩擦时部分机械能转化为内能，A正确；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。
6．解析：选AC　在进入水中的过程中，由动能定理，mgh－Fh＝E′k－Ek，所以动能的减少量为Ek－E′k＝(F－mg)h，故A正确；重力势能的减少量等于重力所做的功，即mgh，故B错误；克服阻力所做的功等于机械能的减少量，即等于Fh，故C正确，D错误。
7．解析：向下拉的某段过程中，弹簧的拉力等于重力和外力的和，重力势能的减少量一定小于弹性势能的增加量，故A错误，B正确；撤去拉力，P在运动过程中，重力和弹簧的弹力做功，弹性势能的减小量等于重力势能的增加量和重物动能的增加量的和，故C错误；重力和弹簧的弹力做功，弹性势能的减小量等于重力势能的增加量和重物动能的增加量的和，只有在最高点或最低点的时候，重力势能的增加量可能等于弹性势能的减小量，故D正确。
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